Способ и устройство для теплового разрушения асфальто- смолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах

 

Изобретение относится к добыче нефти и газа, в частности к технике и технологии удаления отложений, образующихся в процессе эксплуатации скважин. Способ заключается в воздействии на отложения электрическими нагревателями различных конструкций, спускаемыми в скважину на геофизическом кабеле или на трубах. При этом тепловые потоки разделяют, максимально концентрируют и направляют на рабочие поверхности нагревателя, контактирующие с отложениями. Электрическую и тепловую мощность нагревателя концентрируют в его носовой части. Для этого корпус устройства, в котором расположены нагреватели, выполнен цельным или из отдельных связанных, или несвязанных между собой частей с прямой, ступенчатой или волнообразной образующей и увеличивающимся диаметром в поперечных сечениях от носовой части к головной. В носовой части корпуса последовательно с нагревателями установлено объемное сопротивление - теплоизлучатель. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к добыче нефти и газа, а более конкретно - к технике и технологии удаления асфальто-смолистых, гидрато-парафиновых и ледяных отложений (АСПО) в нефтяных и газовых скважинах, которые образуются в процессе их эксплуатации.

Известны способы и устройства для удаления указанных отложений, заключающиеся в использовании нагретой жидкости или пара, различных химических растворителей, электрических нагревателей различных конструкций и т.п. [1-3].

Известные способы и устройства для удаления отложений достаточно сложные. Наиболее простой из известных способ растепления асфальто-смолистых, гидрато-парафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах, принятый за прототип, заключается в воздействии на отложения электрическими нагревателями различных конструкций, опускаемыми на геофизическом кабеле или на трубах [4].

Устройство для теплового разрушения содержит тепловой электрический нагреватель (ТЭН), корпус, в котором расположен ТЭН, переходник и приборную головку.

Недостатком этого устройства и способа на его основе является то, что тепловые потоки в контактной (носовой) части нагревателя недостаточны по тепловой мощности для эффективного растепления АСПО. Причина этого заключается в том, что основное количество тепла в устройстве сосредоточено на боковой цилиндрической поверхности корпуса. Однако эта поверхность не участвует в формировании канала в АСПО. Из-за этого коэффициент полезного действия такого нагревателя является весьма низким.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа и устройства, в которых тепловые потоки сосредоточены в тех частях нагревателя, которые непосредственно формируют канал в АСПО, растепляя их.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе теплового разрушения асфальто-смолистых, гидрато-парафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах, заключающемся в воздействии на них электрическими нагревателями различных конструкций, опускаемыми на геофизическом кабеле или на трубах, тепловые потоки разделяют, максимально концентрируют и направляют на рабочие поверхности нагревателя, контактирующие с отложениями, при этом электрическую и тепловую мощность нагревателя концентрируют в его носовой части, а рабочую поверхность нагревателя, контактирующую с отложениями, разделяют на несколько поверхностей разных диаметров и располагают дискретно по длине нагревателя с увеличением диаметров от носовой части к головной, причем на единице площади поверхности носовой части нагревателя выделяют удельную электрическую и тепловую мощность и соотносят ее с удельной электрической и тепловой мощностью, выделяемой на остальных частях поверхности нагревателя, в пределах (1-150):1. Кроме того, площадь теплоизлучающей поверхности носовой части нагревателя выполнена с отношением к общей теплоизлучающей поверхности нагревателя в пределах 1:(10-150).

Для выполнения этого способа в известном устройстве для теплового разрушения асфальто-смолистых, гидрато-парафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах, содержащем корпус, в котором расположены один или несколько тепловых электрических нагревателей (ТЭН), переходник и приборную головку, корпус выполнен цельным или из отдельных связанных или не связанных между собой частей с прямой, ступенчатой или волнообразной образующей и с увеличивающимся диаметром в поперечных сечениях от носовой части к головной: в носовой части корпуса устройства последовательно с ТЭН установлено объемное сопротивление - теплоизлучатель. В качестве объемного сопротивления - теплоизлучателя может быть установлен легкоплавкий материал, например, олово, свинец, бронза, сплавы различных металлов. Кроме того, в качестве объемного сопротивления может быть установлена металлокерамика или оксидокерамика, а также может использоваться высокоомная смесь двух типов материалов с высокой температурой плавления: первый тип - электропроводящие высокоомные материалы, например, уголь, графит, алмаз, вольфрам, ниобий, цирконий, титан, их карбиды, их смеси и т.п., второй тип электроизоляционные материалы, например, кремний, олина, кварц, корунд, шпат, цемент, огнеупорный кирпич, магнезит, барий, гипс шамот и т.п. При этом высокоомная смесь материалов выбрана из расчета получения электрического сопротивления в пределах 0,3-30 Ом на 1 см³ состава. Токопроводящий вывод ТЭН расположен в высокоомной смеси материалов в центре на равноудаленном расстоянии от боковых сторон и торца носовой части корпуса устройства, заполненного объемным сопротивлением, или ближе к торцу на 0,5-2,0 мм. Боковая поверхность объемного нагревателя, расположенного в носовой части корпуса, изолирована от электропроводящей смеси слоем теплопроводящего электроизоляционного материала. Часть корпуса, прилегающая к торцу носовой части, выполнена конической, цилиндрической, ступенчатой или волнообразной форм или в виде их сочетаний, при этом сечение большего размера расположено ближе к торцу, а меньшего - дальше в сторону головной части корпуса. Объемное сопротивление - теплоизлучатель, может быть использовано в виде втулки, размещенной в герметичном сосуде цилиндрической, конической, ступенчатой или волнообразной форм, между втулкой и сосудом установлен слой теплопроводящего термостойкого электроизоляционного материала, а носовая часть сосуда выполнена из высокотеплопроводного материала. При этом наружная поверхность корпуса или его рабочие части выполнены с теплоотводящими рифлениями с большой поверхностью рассеивания, фигурной или многопрофильной форм. Для повышения теплоотдачи корпус или его наружная поверхность выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди, алюминия и т.п.

Положительный эффект в предложенных способе и устройстве достигается за счет того, что по длине нагревателя и в его торцовой части выполнено несколько контактных площадок с подведенной достаточной по данным практики тепловой мощностью. Подвод тепла в контактные с отложениями площадок обеспечивается тем, что остальные поверхности устройства удаляют от отложений, они контактируют с нагретой жидкостью, и тепловые потоки вынуждены направляться к холодной контактной площадке. Объемное сопротивление обеспечивает концентрацию тепла в носовой части с температурами выше, чем в остальных частях устройства.

Конкретные значения и соотношения площадей, объемов, удельных мощностей, электрического сопротивления, зазоров и т.п. выведены из практики и обеспечивают максимальную эффективность.

На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства с цельным корпусом и прямой образующей корпуса; на фиг. 2 - продольный разрез устройства с цельным корпусом и волнообразной образующий корпуса; на фиг. 3 - продольный разрез устройства с корпусом из двух не связанных между собой частей с прямой образующей частей корпуса; на фиг. 4 - продольный разрез носовой части устройства со ступенчатой образующей; на фиг. 5 - продольный разрез носовой части устройства с волнообразной образующей; на фиг. 6 - продольный разрез носовой части устройства со ступенчатой образующей и объемным сопротивлением; на фиг. 7 - продольный разрез устройства со ступенчатой образующей, объемным сопротивлением теплоизлучателем и изолирующим его слоем термостойкого электроизоляционного материала; на фиг. 8 - продольный разрез объемного сопротивления - теплоизлучателя, выполненного в виде втулки, заизолированно расположенной в корпусе; на фиг. 9 - сечение А-А на фиг. 1-8.

устройство содержит корпус 2, в котором расположены один или несколько тепловых электрических нагревателей 1, переходник 3 и приборная головка 4. Корпус выполнен цельным или из отдельных связанных или не связанных между собой частей с прямой 5, ступенчатой 6 или волнообразной 7 образующей. Диаметр корпуса в поперечных сечениях увеличивается от носовой части 8 к головной 9. В носовой части корпуса 2 последовательно с ТЭН 1 установлено объемное сопротивление - теплоизлучатель 10. В качестве последнего может быть установлен легкоплавкий материал, например, олово, свинец, бронза, сплавы различных металлов, или металлокерамика, или оксидокерамика. Также в качестве объемного сопротивления может быть использована высокоомная смесь двух типов материалов с высокой температурой плавления. Первый тип - материалы электропроводящие высокоомные, например, уголь, графит, алмаз, вольфрам, ниобит, цирконий, титан, их карбиты, их смеси и т.п., второй тип - материалы электроизоляционные, например, кремний, глина, кварц, корунд, шпат, цемент, огнеупорный кирпич, магнезит, барит, гипс, шамот и т.п. При этом высокоомная смесь материалов выбрана из расчета получения электрического сопротивления в пределах 0,3-30 Ом на 1 см³. Токопроводящий вывод 11 ТЭН 1 расположен в высокоомной смеси в центре на равноудаленном расстоянии от боковых сторон и торца носовой части корпуса устройства, заполненного объемным сопротивлением, или ближе к торцу на 0,5-2,0 мм.

Боковая поверхность объемного нагревателя, расположенного в носовой части корпуса, изолирована от электропроводящей смеси слоем теплопроводящего электроизоляционного материала. Часть корпуса, прилегающая к торцу носовой части, выполнена конической, цилиндрической, ступенчатой или волнообразной форм или в виде их сочетаний, при этом сечение большего размера расположено ближе к торцу, а меньшего - дальше в сторону головной части 9 корпуса 2. Объемное сопротивление - теплоизлучатель 1 может быть выполнено в виде втулки, размещенной в герметичном сосуде, цилиндирической, конической, ступенчатой или волнообразной форм. Между втулкой и сосудом установлен слой теплопроводящего термостойкого электроизоляционного материала 12, а носовая часть сосуда выполнена из высокотеплопроводного материала. Кроме того, наружная поверхность корпуса 2 или его рабочие части выполнены с теплоотводящими рифлениями 13 с большой поверхностью рассеивания, фигурной или многопрофильной форм. Для повышения теплоотдачи корпус 2 устройства или его наружная поверхность выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди, алюминия и т.п.

Способ осуществляется следующим образом. В нефтяные и газовые скважины опускают на геофизическом кабеле или на трубах тепловые электрические нагреватели и воздействуют тепловым потоком на образовавшиеся в них асфальто-смолистые, гидратопарафиновые и ледяные отложения. При этом тепловые потоки разделяют, максимально концентрируют и направляют на рабочие участки корпуса 2 нагревателя 1, контактирующие с отложениями. Для этого используют на каждом сантиметре длины нагревательного элемента 1 одинаковую электрическую мощность, причем электрическую и тепловую мощность нагревателя концентрируют в его носовой части 8. Рабочую поверхность нагревателя 1, контактирующую с отложениями, разделяют на несколько поверхностей 5, 6, 7 разных диаметров и располагают дискретно по длине нагревателя 2 с увеличением диаметров от носовой 8 части к головной 9. На единице площади поверхности носовой части 8 выделяют удельную электрическую и тепловую мощность, соотносящуюся с удельной электрической и тепловой мощностью, выделяемой на остальных частях нагревателя 2 в пределах (1-150): 1. Площадь теплоизлучающей поверхности носовой части нагревателя 2 выполнена с соотношением к общей теплоизлучающей поверхности нагревателя 2 в пределах 1:(1-150).

Устройство для реализации способа работает следующим образом. К ТЭНу 1 подводят ток по геофизическому кабелю. Сопротивление нагревательного элемента одинаково в каждой равной его части. Благодаря этому на каждой единице длины нагревательного элемента используется одинаковая мощность N = IU = I²R Вm, где I - ток, А, U - падение напряжения, В, R - сопротивление, Ом. Например, в ТЭН-1 длиной 1200 мм и мощностью подводимого тока N = 6 кВт, на каждом сантиметре длины нагревательного элемента используется мощность N1 = N2 = N3 = N4 = N5 = 50 Вт.

В ТЭН выделяется количество тепла: Q₁ = 0,24 I²Rt, кал, где t - время работы, ч.

Чтобы максимально подвести тепловой поток к контактным площадкам на поверхностях образующих 5, 7 и носовой части 8 корпуса 2 все остальные волнообразные или ступенчатые поверхности выполнены таким образом, что они не контактируют с отложениями, а омываются нагретой жидкостью, полученной из этих отложений. В соответствии с известным законом термодинамики тепло идет от более нагретого тела (или его участка) к менее нагретому телу (или его участку). Следовательно, тепловые потоки со всего объема теплоизлучающих элементов вынуждены направляться к холодным контактным площадкам на образующих поверхностях 5, 7 и носовой части 8 корпуса 2.

Количество тепла, расходуемое на нагрев теплоизлучающих элементов и контактных площадок зависит от их параметров и определяется по формуле Q₂ = сm(t₂ - t₁), кал, где С - теплоемкость материала теплоизлучающих элементов, m - масса теплоизлучающих элементов, t₁ - температура на контактной площадке, t₂ - температура на ТЭН 1.

Практика показывает, что наилучшая производительность способа и устройства наблюдается при выделении удельной тепловой мощности в носовой части по отношению к удельным мощностям на других участках, как (1-150):1. При этом высокоомная смесь материалов выбрана из расчета получения электрического сопротивления в пределах 0,3-30 Ом на 1 см³ состава.

Соотношение контактной площади носовой части и остальной площадки выполнено как 1:(10-150), что также дает наилучшие результаты.

Предложенные способы и устройство успешно прошли испытания как в лабораториях, так и в промышленных условиях.

Формула изобретения

1. Способ теплового разрушения асфальтосмолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах, включающий воздействие на них электрическими нагревателями различных конструкций, спускаемыми на геофизическом кабеле или на трубах, отличающийся тем, что тепловые потоки разделяют, максимально концентрируют и направляют на рабочие поверхности нагревателя, контактирующие с отложениями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическую и тепловую мощность нагревателя концентрируют в его носовой части.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую поверхность нагревателя, контактирующую с отложениями, разделяют на несколько поверхностей разных диаметров и располагают дискретно по длине нагревателя с увеличением диаметров от носовой части к головной.

4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что выделяют удельную электрическую и тепловую мощность на единице площади поверхности носовой части нагревателя и соотносят ее с удельной электрической и тепловой мощностью, выделяемой на остальных частях поверхности нагревателя, в пределах (1 150) 1.

5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что площадь теплоизлучающей поверхности носовой части нагревателя выполнена с отношением к общей теплоизлучающей поверхности нагревателя в пределах 1 (10 150).

6. Устройство для теплового разрушения асфальтосмолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах, содержащее корпус, в котором расположены один или несколько тепловых электрических нагревателей (ТЭН), переходник и приборную головку, отличающееся тем, что корпус выполнен цельным или из отдельных связанных или не связанных между собой частей с прямой, ступенчатой или волнообразной образующей и с увеличивающимся диаметром в поперечных сечениях от носовой части к головной.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в носовой части корпуса устройства последовательно с ТЖН установлено объемное сопротивление теплоизлучатель.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в качестве объемного сопротивления теплоизлучателя установлен легкоплавкий материал, например олово, свинец, бронза, сплавы различных металлов.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в качестве объемного сопротивления установлена металлокерамика или оксидокерамика.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в качестве объемного сопротивления используется высокоомная смесь двух типов материалов с высокой температурой плавления: первый тип электропроводящие высокоомные материалы, например уголь, графит, алмаз, вольфрам, ниобий, цирконий, титан, их карбиды, их смеси и т.п. второй тип электроизоляционные материалы, например кремний, глина, кварц, корунд, шпат, цемент, огнеупорный кирпич, магнезит, барит, гипс, шамот и т.п.

11. Устройство по п.7 или 10, отличающееся тем, что высокоомная смесь материалов выбрана из расчета получения электрического сопротивления в пределах 0,3 30 Ом на 1 см³ состава.

12. Устройство по любому из пп.7, 9 и 10, отличающееся тем, что теплопроводящий вывод ТЭН расположен в высокоомной смеси материалов в центре на равноудаленном расстоянии от боковых сторон и торца носовой части корпуса устройства, заполненного объемным сопротивлением, или ближе к торцу на 0,5 - 2,0 мм.

13. Устройство по любому из пп.7, 9 и 10, отличающееся тем, что боковая поверхность объемного нагревателя, расположенного в носовой части корпуса, изолирована от электропроводящей смеси слоем теплопроводящего электроизоляционного материала.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть корпуса, прилегающая к торцу носовой части, выполнена конической, цилиндрической, ступенчатой или волнообразной форм или в виде их сочетаний, при этом сечение большего размера расположено ближе к торцу, а меньшего дальше в сторону головной части корпуса.

15. Устройство по п.7, отличающееся тем, что объемное сопротивление - теплоизлучатель выполнено в виде втулки, размещенной в герметичном сосуде цилиндрической, конической, ступенчатой или волнообразной форм, между втулкой и сосудом установлен слой теплопроводящего термостойкого электроизоляционного материала, а носовая часть сосуда выполнена из высокотеплопроводного материала.

16. Устройство по п.6 или 13, отличающееся тем, что наружная поверхность корпуса или его рабочие части выполнены с теплоотводящими рифлениями с большой поверхностью рассеивания фигурной или многопрофильной форм.

17. Устройство по любому из пп.6 16, отличающееся тем, что для повышения теплоотдачи корпус или его наружная поверхность выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, алюминия и т.п.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9